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      《人民日報》專版刊登航天科工研究員楊宇光主題署名文章

      發布時間:2013-05-31    信息來源: 人民日報

          2013年05月31日,《人民日報》20版科技視野專版以《天地往返工具成就太空傳奇》為題,刊登了中國航天科工二院研究員楊宇光署名文章。


      圖為5月31日《人民日報》20版專題刊登楊宇光文章

        原文如下:

        今年6—8月,神舟十號飛船將擇機發射,與天宮一號目標飛行器再次進行有人交會對接,三名航天員將在太空中工作、生活一段較長的時間。這也是神舟飛船開展首次應用飛行。

        神舟飛船的首次應用飛行,其重大意義在于:神舟八號、神舟九號和神舟十號的狀態基本是一致的,本次任務取得成功后,這種狀態的神舟飛船和長征2F運載火箭將構成我國標準的天地往返運輸系統。這一系統不但能夠用于空間實驗室的航天員往返運輸,未來也將作為我國空間站的運輸工具,承擔航天員天地往返運輸系統和空間站救生船的職能。

        在人類奔向太空的50余年歷史中,天地往返運輸系統始終支撐和書寫著太空之旅的傳奇故事。我們特邀中國航天科工集團公司二院研究員楊宇光博士撰文,為讀者介紹人類天地往返工具的發展歷程。

        回顧人類載人航天歷程,太空時代的到來,就是從載人天地往返運輸系統的研制與試驗開始的。在太空競賽時期,前蘇聯和美國分別研制了三個系列的載人飛船,即東方號、上升號、聯盟號和水星號、雙子星號、阿波羅號。聯盟號飛船經過不斷改進,直到今天仍作為天地往返運輸工具在使用。美國研制并使用了航天飛機,未來各航天大國還將研制新一代載人飛船。

        研究這些載人天地往返運輸工具的歷史,可以更清楚地讓我們了解人類航天技術的發展進程,并且更好地把握未來,讓航天技術更加有效地為人類造福。

        早期的天地往返運輸工具

        回答了“人能否進入太空”的問題,最大意義在于開創了載人航天的新紀元

        1961年4月12日,前蘇聯航天員尤里·加加林乘坐東方一號飛船,從位于哈薩克斯坦的拜科努爾航天中心飛上太空,宣告了人類載人航天時代的到來。雖然加加林乘坐東方一號飛船僅環繞地球飛行一周,卻完整地驗證了天地往返運輸系統發射入軌、在軌運行、生命保障、測控通信、安全返回所需要的關鍵技術,證明了人類有能力實現可靠的天地往返。

        東方號飛船是由前蘇聯航天技術的先驅謝爾蓋·科羅廖夫領導的團隊研制成功的,它由載人艙和設備艙構成,東方一號的重量大約4.7噸。載人艙是一個直徑約2.3米的球體,也是在天地往返過程中唯一回收的艙段,因此在表面涂有燒蝕材料,確保返回過程中的高溫不會傳到飛船內部。而設備艙承載了飛船在軌姿態控制和返回所需的火箭、電源、測控設備和為航天員提供類似地面大氣環境的氣瓶等。實踐證明,東方號飛船的這種分艙設計理念是比較合理的技術途徑,除了美國最早的水星號飛船外,后來的載人飛船都采用了分艙設計。

        東方號的發展歷程并不順利,前蘇聯在加加林進入太空前進行了多次飛船發射試驗,有時還攜帶試驗用的狗進入太空。從1960年開始,在經歷了多次飛行試驗失敗后,終于取得了連續兩次無人飛行試驗成功,才決定由加加林進行首次載人飛行。東方號飛船一共執行了6次載人飛行任務。其中包括人類首次編隊飛行的東方三號和東方四號,以及乘坐東方六號的人類歷史上第一位女航天員瓦連金娜·捷列什科娃的飛行任務。

        美國的第一代載人飛船是在前蘇聯取得巨大成就的情況下奮起直追的產物。當時美國運載火箭的能力還遠不如蘇聯,所以第一艘和第二艘載人的水星號飛船只能用經過改造的紅石彈道導彈送到亞軌道,不能環繞地球,只能在上升到最高點后像彈道導彈一樣返回地球。1961年5月5日,艾倫B·謝潑德乘坐水星3號,成為美國第一位乘坐飛船升空的人,到達186公里的高空。之后乘坐水星4號的格里索姆也采用了亞軌道飛行方式。這種方式最大的問題是航天員在返回過程中要承受類似彈道導彈彈頭的巨大過載,達到身體重量的11倍,其驚險程度可想而知。

        在水星4號任務之后,因為有了更大的宇宙神運載火箭,美國才得以將水星號飛船送入環繞地球的軌道。1962年2月20日,約翰·格倫乘坐水星6號飛船繞地球飛行3圈,成為美國第一個進入地球軌道的人。此后的3次水星號飛行任務均取得了成功。

        在載人航天的最初階段,因為運載能力問題,美國的水星號飛船非常小,其發射質量只有大約2噸,在軌質量約1.3噸,內部容積只有大約1.7立方米,且采用了單艙結構。不過,由于水星號飛船返回大氣層時底部朝下,可以產生一定的升力,使航天員能夠通過手動控制調整飛行路線,這種受控再入的方式有利于提高落點精度,被后來所有的載人飛船采納。

        東方號飛船和水星號飛船的飛行,是人類初次進入太空的嘗試,回答了“人能否進入太空”的問題,其最大意義在于開創了載人航天的新紀元。

        登月競賽中的載人飛船

        美國阿波羅飛船共進行了7次登月嘗試,6次成功,將12名航天員送上月球;

        俄羅斯聯盟號飛船在空間站時代大顯身手,直到今天依然是國際空間站最主要的交通工具

        在初步解決了人進入太空的問題之后,前蘇聯與美國馬不停蹄,開始了更為激烈的太空競賽。其中,美國在水星號任務期間就明確表示要在10年內將人送上月球。前蘇聯雖然從未公開正式的計劃,但其航天活動明顯也是在為這個目標做準備。而在登月活動所必須解決的問題中,最重要的就是艙外活動和交會對接技術。

        通過對東方號飛船的改造,前蘇聯研制了上升號飛船。1964年10月12日,上升1號飛船承載3名航天員進入太空,繞地球16圈,首次實現了多人進入宇宙空間。1965年3月18日,上升2號從拜科努爾發射,列昂諾夫進行了人類第一次太空行走。應當說,雖然兩艘上升號飛船取得了舉世矚目的成就,但在技術上并沒有比東方號飛船取得太多的進步。這是前蘇聯急于求成的結果,也導致聯盟號飛船遲遲不能投入使用。

        相對于前蘇聯,美國在這一階段的步伐穩定而迅速。由于有了更大的大力神運載火箭,雙子星飛船的重量接近4噸,采用了兩艙構型,其中載人艙能夠承載2名航天員,且有較強的軌道機動能力。從1965年3月到1966年12月,共有10艘載人的雙子星飛船發射入軌。其中雙子星4號飛船開展了美國第一次出艙活動,雙子星6號與雙子星7號實現了人類歷史上第一次真正意義上的精確交會,雙子星8號實現了兩個航天器的第一次交會對接,之后的幾艘雙子星飛船又完成了數次太空行走和交會對接任務,為美國的登月計劃奠定了基本的技術基礎。

        美國和前蘇聯為實現登上月球的目標,分別研制了阿波羅飛船和聯盟號飛船。但在這兩型飛船的發展初期,均遭受到重大挫折。阿波羅1號飛船在進行地面試驗時,由于采用純氧大氣,而艙門又不能迅速打開,導致三名航天員在一個電火花引起的火災中喪生。此后直到1968年11月發射的阿波羅7號,才實現了阿波羅飛船的首次載人飛行。而俄羅斯的聯盟1號飛船雖然在1967年4月23日正常發射入軌,卻在返回過程中因為降落傘故障而迅速墜地,航天員科馬洛夫不幸犧牲。在最初的挫折之后,兩型飛船均進行了較大的改進,并且都在人類載人航天歷史上留下了輝煌的篇章。

        阿波羅飛船是為登月任務設計的,當不進行登月飛行時,由指令艙和服務艙組成,由土星1B運載火箭發射入軌。在開展登月活動時,會增加由上升段和下降段組成的登月艙,并由土星5號巨型運載火箭發射入軌。最重的阿波羅17號總重量達到約47噸。1968年12月,沒有攜帶登月艙的阿波羅8號飛船實現了人類歷史上第一次繞月飛行。1969年7月20日,乘坐阿波羅11號飛船的尼爾·阿姆斯特朗登上月球,標志著美國在登月競賽中取得了全面勝利。此后一直到1972年12月,阿波羅飛船共進行了7次登月嘗試,6次成功,將12名航天員送上月球。其間阿波羅13號飛船雖然因為服務艙的嚴重故障而未能成功登月,卻在數千科學人員團隊的努力下,采取各種搶救措施,成功挽救了3名航天員的生命,被譽為是“雖敗猶榮”。

        由于阿波羅飛船的機動能力非常強,在登月競賽之后還被用做美國第一代空間站——天空實驗室的天地往返運輸系統,并在1975年與聯盟19號飛船共同實現了人類第一次聯合飛行任務。

        雖然前蘇聯在登月競賽中輸給美國,但其間研制的聯盟號飛船卻在空間站時代大顯身手,成為歷代空間站的天地往返工具。聯盟號安全飛行數十年,沒有造成過船毀人亡的嚴重事故。聯盟號飛船采用3艙構型,這是一種比較合理的布局形式,因此才能夠以7噸的重量完成很多復雜的飛行任務。在聯盟號的發展歷程中,經歷了聯盟T、聯盟TM、聯盟TMA等多個系列的改型,不斷提高性能,直到今天,依然是國際空間站最主要的交通工具。

        航天飛機是人類歷史上最引人注目的天地往返工具

        由于采用技術過于復雜,維護和使用成本遠遠大于一次性運載火箭,以及運載效率極低、安全設計方面的不足等原因,航天飛機不得不退出載人航天歷史舞臺

        美國研制的航天飛機是人類歷史上最引人注目的天地往返工具。從1981年4月12日哥倫比亞號航天飛機的首次飛行,到2011年7月21日亞特蘭蒂斯號航天飛機的謝幕之旅,航天飛機共進行了135次發射,取得了無數的科技與工程成果,在人類載人航天史上譜寫了壯麗的詩篇,但由于挑戰者號和哥倫比亞號兩次巨大的災難,也導致美國最終放棄了這種天地往返工具。

        航天飛機在發展過程中采用了當時最先進的技術,例如可重復使用的防熱材料等。它在返回過程中具有良好的機動性能,與飛船相比,可以利用機翼的升力在返回過程中進行更大范圍的機動。而且航天飛機在發射與返回過程中的環境條件也不像飛船那樣惡劣,使得很多普通人都有機會乘坐它進行太空旅行。航天飛機還具有很強的在軌操作能力,可以將8名航天員與有效載荷一同送上太空,并能將很大質量的載荷帶回地面。這就使很多的太空維修任務和太空回收任務成為可能。

        在航天飛機的飛行任務中,有發射衛星和行星探測器的任務,也有執行衛星維修與回收的任務,特別是航天飛機對哈勃號太空望遠鏡的數次維修,挽救并延長了它的任務壽命。航天飛機擁有可執行復雜操作的機械臂,有可敞開的巨大貨艙,因此能夠擔當“太空工棚”的角色,復雜的國際空間站建設任務就是利用航天飛機的這一優勢完成的。應當說,沒有航天飛機,國際空間站巨大的桁架結構將很難構建。

        然而,由于航天飛機所采用的技術過于復雜,導致其維護和使用成本遠遠大于一次性運載火箭。而且由于其采用了人貨混合的運輸方式,導致其運載效率極低:航天飛機的起飛重量接近土星五號巨型火箭的量級,其貨物運載能力卻只有大約24噸,再加上它在安全設計方面的不足,兩次事故共14名宇航員喪生的巨大慘劇,導致美國不得不讓它退出載人航天的歷史舞臺。

        神舟系列載人飛船采用了當代更新的技術

        是目前人類正在使用最重的載人天地往返運輸工具,將成為未來我國空間站的天地往返運輸系統,會朝著更加安全、可靠、舒適的方向發展

        我國研制的神舟系列載人飛船,比俄羅斯的聯盟號飛船略重,在美國的航天飛機退役之后,是目前人類正在使用的最重的人員天地往返運輸工具。它采用由軌道艙、返回艙、推進艙組成的較為成熟的三艙構型,雖然在構型上和聯盟號類似,卻采用了大量更為先進的技術。例如,神舟飛船采用光電轉換效率很高的三結砷化鎵太陽能電池,其輸出功率甚至比早期的禮炮號空間站都要大;采用鋁鋰合金的主結構,既輕巧又結實;與聯盟號采用偏二甲肼不同,神舟飛船的統一雙組元推進系統采用一甲基肼作為燃料,簡化了增壓系統的設計,工作更為可靠。神舟飛船的返回艙,也比聯盟號更大更舒適一些。在神舟飛船的早期發展階段,軌道艙還可在載人飛行任務結束后長期留軌,作為一顆科學試驗衛星繼續發揮作用。

        神舟飛船在歷次飛行任務中的出色表現,以及載人航天工程從一開始就完整考慮的前瞻性設計,使得神舟飛船足以勝任我國未來空間站的天地往返運輸任務。在神舟飛船定型后,它可以在空間站上??堪肽?,同時作為乘組長期駐留空間站期間的“救生船”。在航天員乘組輪換期間,可以有兩艘神舟飛船同時對接在空間站上。

        神舟飛船作為我國未來空間站的標準天地往返運輸工具,采用了符合國際標準的導向瓣內翻式異體同構周邊式對接機構。這樣的設計在救援任務中特別有用,理論上也具備造訪國際空間站的能力,而其他國家的載人航天器也可以經過較小改動后造訪我國的空間站。這為將來開展載人航天國際合作,包括空間救援和飛船—空間站的互訪,提供了極大的可行性。

        可以預見,隨著新技術的不斷出現,神舟飛船也會不斷改進,朝著更加安全、可靠、更加舒適的方向發展。

        未來新一代載人飛船

        美國新一代“獵戶座”多用途乘員運輸飛船,將用于執行登陸火星或小行星;

        俄羅斯在積極設計自己的下一代載人飛船,提升未來新型載人飛船的乘組人數

        在航天飛機退役之后,美國一方面通過租用俄羅斯聯盟號飛船的艙位維持與國際空間站之間的人員運輸,另一方面啟動了商業軌道運輸服務計劃,將近地空間的天地往返運輸服務交給軌道科學公司和太空探索公司等私人企業,執行了“龍”飛船任務等針對國際空間站的運輸服務。此外,美國宇航局保留了已取消的“星座”計劃中研制新型載人飛船的任務。

        新一代的“獵戶座”多用途乘員運輸飛船可以乘坐4—6名航天員,在充分繼承阿波羅飛船的構型形式基礎上,各個分系統均采用了目前最先進的技術。它最終將用于執行登陸火星或小行星的飛行任務。預計在2030年左右實現登陸火星的任務。

        俄羅斯也在積極設計自己的下一代載人飛船。由于受聯盟號飛船只能乘坐3人的限制,國際空間站目前的利用率不高。未來新型載人飛船的乘組人數均有較大提升,這也是天地往返運輸從探索階段走向成熟階段的標志。

        人類必然走向更深更遠的空間。由于目前載人航天活動主要依賴化學燃料的火箭技術,即使往返火星也需要一年半左右的時間。這樣的飛行任務還有很多的航天器工程技術、生命保障技術乃至心理因素等方面的問題需要解決。

        科學家們也對未來太陽系內載人飛行任務的途徑進行了研究。目前普遍的觀點認為:必須采用核動力火箭來突破化學燃料火箭帶來的瓶頸。這是因為化學燃料所包含的能量非常有限,而核反應堆可以在很長時間內提供巨大的能量??茖W家們提出的載人登陸木星的衛星,甚至土星和太陽系邊緣的飛行任務,都是在這一假設下提出的,而這樣的任務或許在本世紀內有望實現。


      《人民日報》電子版連接:http://paper.people.com.cn/rmrb/html/2013-05/31/nw.D110000renmrb_20130531_1-20.htm?div=-1


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